浅议风电机组的振动监测技术应用方案

摘要：文章结合了国华能源投资有限公司的实际经验，详细介绍了振动监测技术在风电机组中的应用方案，包括传感器在两种不同齿轮箱结构的风电机组上的布置、传感器的选型及安装、振动数据的有线及无线通讯方式、离线振动检测设备的应用等，对风电行业应用振动监测技术有一定的借鉴作用。

关键词：振动监测技术；风电机组；应用方案；传感器；振动数据

中图分类号：TM315 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）31-0042-03

近两年来，振动监测技术在国内风电行业受到越来越多的重视，并逐步得到大规模的推广，在提前预知设备故障、提高设备的可靠性和利用率方面发挥了较好的作用。

国华能源投资有限公司从2010年开始大规模推广振动监测技术，是国内振动监测技术引进最早、装机规模最大的风电运营商之一，通过不断总结经验，国华能源投资有限公司制定了较完善的振动监测技术应用方案，有效地对风电机组的设备运行状态进行监控，为风场制定设备的维护维修计划提供了指导性的依据，极大地提高了风场计划性维修的比例，节约了发电量及运营成本，取得了良好的经济效益。本文结合了国华能源投资有限公司的实际经验对振动监测技术在风电机组中的应用做了简要分析及介绍，可为同行参考。

1 传感器的布置

风电机组的传动链结构包括主轴承、齿轮箱、联轴器及发电机。齿轮箱的结构较复杂，常规的风电机组齿轮箱结构有两种：一级行星、两级平行轴结构及两级行星、一级平行轴结构。对于无齿轮箱的直驱型风电机组，在此不做讨论。

风电机组的齿轮箱故障诊断为业内公认的技术难题，国际上将机械设备的故障诊断难度等级分为10级，风电机组齿轮箱故障诊断的难度等级约为5～6级，介于燃气轮机及直升机传动链故障诊断的难度等级之间，因此，齿轮箱应作为重点的监控对象，但由于受到安装条件和监测系统成本的制约，一般建议在齿轮箱上安装4～5只振动传感器，德国船级社2013年发布的风电机组振动监测标准推荐齿轮箱安装振动传感器的数量为4+1，即4个径向传感器加1个轴向传感器。

相对于德国船级社的推荐方案，国华能源投资有限公司的方案里减少了一个主轴承轴向传感器，增加了一个发电机驱动端轴向传感器。

常规风电机组为单主轴承结构，主轴承为辊子调心轴承，承载少量的轴向推力，主要的轴向推力由齿轮箱承担，因此在轴向方向安装振动传感器对故障诊断的效果不是很明显，主轴承发生故障时的特征主要体现在径向上；另外主轴承部位为低速重载部位，所需传感器为低频传感器，价格较贵。因此，综合考虑以上因素，国华公司采用在主轴承上安装一个振动传感器的方案，能满足故障诊断的要求。

齿轮箱高速轴齿轮为斜齿齿轮，运行时在轴向方向上有连续的推力，因此，仅在高速轴轴向部位安装振动传感器用来诊断风电机组的不对中故障效果不明显，在发电机驱动端轴向部位加装一个传感器后，可以准确地诊断不对中故障，除此之外，当发电机两端径向传感器监测到明显的1倍、2倍转频后，驱动端轴向传感器监测的频谱图可以有效地帮助区分该故障是否为转子不平衡或转子弯曲。

综上，国华公司的布置方案共需安装9个振动传感器，具体的布置位置如下：

一级行星、两级平行轴结构：主轴承1个（径向）、齿轮箱输入轴轴承1个（径向）、行星轮大齿圈1个（径向）、齿轮箱低速轴输出端1个（径向）、齿轮箱高速轴输出端2个（轴向和径向）、发电机驱动端2个（轴向和径向）、发电机非驱动端1个（径向）。

二级行星、一级平行轴结构：主轴前轴承1个（径向）、一级行星轮大齿圈1个（径向）、二级行星轮大齿圈1个（径向），齿轮箱低速轴输出端1个（径向）、齿轮箱高速轴输出端2个（轴向和径向）、发电机驱动端2个（轴向和径向）、发电机非驱动端1个（径向）。

确定传感器具体安装位置的原则为：尽可能保证直接的振动信号传播。传感器应靠近部件的承载区，一般为轴承位置，行星部位的传感器安装在大齿圈上，应尽量保证所有传感器的安装方向为最大载荷方向。

2 传感器的选型及安装

2.1 传感器的选型

振动传感器的选型是否准确对获得数据的真实性、准确性有重要的影响，风电机组传动链结构复杂，且运行时的转速与功率随风况实时变化，所以一般采用加速度振动传感器，频率范围宽，受干扰较小。

传感器的选型主要考虑三个方面的因素：灵敏度、频响范围、工作温度范围。

风电机组不同部位的转速差别较大，需采用两种类型的传感器：低频型加速度传感器及普通型加速度传感器。主轴部位的转速最低，一般不高于每分钟21转，应选择最低频响范围低于0.3Hz的传感器，且要求传感器的灵敏度较高；高转速部位选用频响范围为0.5Hz的普通型传感器即可。而且由于齿轮箱的结构复杂，故障频率的范围较宽，对传感器的频响范围要求也较高。另外还需要考虑北方地区的寒冷天气，保证低温时传感器能够正常的工作。没有明确地规定要求在多少转速以下的部位需安装低频传感器，国华公司根据经验制定了相应的方案：齿轮箱为一级行星、两级平行轴结构的风电机组，主轴承、齿轮箱输入轴、行星轮大齿圈部位应使用低频加速度传感器；齿轮箱为两级行星、一级平行轴结构的风电机组，主轴前轴承、一级行星轮大齿圈部位应使用低频加速度传感器；其他部位使用普通型加速度传感器。

2.2 传感器的安装

传感器的安装方式主要有两种：螺纹安装及粘接安装。螺纹安装方式主要用于OEM项目即新建设的风电项目上，风机在出厂前，按照振动监测设备的安装工艺在传动链相应部位打好螺纹孔，并将数据线缆及数据采集器布置规范。传感器一般在风机吊装完成后再进行安装，避免在风机设备运输过程中的碰撞损坏。螺纹安装方式是最好的一种传感器安装方式，结构牢靠，不易松脱，且传感器采集的振动信号准确、真实。因此，在条件许可的情况下，都建议采用螺纹安装方式安装振动传感器。在风电机组吊装完成投入运行后，加装振动监测设备时推荐采用粘接的方式安装传感器。机舱内的空间较小，打螺纹孔所需的工装不易安放及操作，影响打孔的精度。相对于螺纹安装，粘接安装的传感器的有效采样频率范围稍小，采集的信号强度也有一定的衰减，但均能满足风电机组故障分析的要求。

粘接安装传感器时需要注意一个问题：侧出线的传感器在安装固定前，需要调整好连接垫片的方位，防止传感器与垫片在连接紧固后，出线的位置不合理，导致数据线缆过度弯曲而影响信号的质量和线缆的寿命。正确的操作方法为：在安装前，将垫片与传感器预先进行连接，在安装位置将出线调整到合理的方向，并在垫片及风机设备上做好标记线，安装时根据标记的位置粘接垫片，可以保证传感器的出线方向准确。

无论是螺纹安装或粘接安装，均需对设备表面进行打磨，因此，在传感器安装完成后，应对暴露在外的金属表面进行补漆处理，防止生锈。

3 数据通讯方式

传感器采集到的振动信号，通过数据采集器传回到风场主控室的振动监测服务器中。数据采集器与主控室服务器的通讯有两种方式：有线通讯方式及无线通讯方式。无线通讯方式的信号传输范围有限，而且受天气状况的影响较大，易造成数据的传输不稳定甚至丢失，因此，在条件许可的情况下，建议优先选择有线通讯方式。

3.1 有线通讯方式

数据采集器输出的信号为电信号，需要转换为光信号，通过风场环网光纤传输到主控室，再转换为电信号，才能将数据传输到振动监测服务器中，整个过程可简单描述为电-光-电转换。不同品牌的风机将电信号转换为光信号的方式有所不同，不同的风电场光纤环网网络的建设方式也有所不同，通过归纳总结，实现电-光-电的转换基本上有三种方式。

3.1.1 通过机舱控制柜内的以太网交换机并利用机组原有通讯网络。利用机舱控制柜内已有的以太网交换机的空余RJ45电口，通过风电机组已有的通讯环路，经由主控继保室内的通讯交换机来完成与振动监测服务器的连接，实现数据的采集控制和传输。通讯简图如图1所示：

本通讯方式简单、经济，仅需要一根短网线将振动数据采集器与机舱控制柜内的交换机连接即可。局限性在于：机舱内的以太网交换机需要有空余的可用网口。部分类型的风电机组在设计时没有考虑预留通讯网口，或者预留的网口数量较少而被占用，将导致无法完成通讯。需要注意的是，振动数据的传输有可能会影响风电机组其他数据的正常通讯，因此需进行测试，将振动数据的通讯流量控制在不影响正常通讯的最大流量值之内。

3.1.2 通过塔底控制柜内以太网交换机并利用机组原有通讯网络。利用风电机组塔底控制柜内已有的以太网交换机的空余RJ45电口，通过机组的已有的通讯环路，经由主控继保室内的通讯交换机，来完成与振动监测服务器的连接，实现数据采集控制和传输。通讯简图如图2所示。

当风电机组机舱内的以太网交换机没有预留通讯网口或者预留网口被占用时，可采用这种通讯方式。与第一种有线通讯方式相比，本通讯方式需增加一根从机舱到塔底的工业网线，将振动数据采集器与塔底的以太网交换机进行连接。铺设网线时需要预先制定好方案，避免网线被风机的电缆挤压破坏。

3.1.3 加装光电交换机，利用风电机组环网备用光纤组建通讯网络。利用机组塔底与环网相连的光电转换器的备用光纤，分别在塔底和主控室的光缆汇集处加装光电交换机组建通讯网络。通讯简图如图3所示：

在塔底控制柜内加装的光电交换机，通过光纤跳线与塔底的备用光纤尾纤盒相连；在主控室加装的光电交换机，将各环网的光纤汇聚集中，实现振动监测服务器与每个振动数据采集器的通讯。

本通讯方式同样需要加装一根从机舱到塔底的工业网线，同时还需加装两个光电交换机，通讯成本高，安装过程复杂，但是在整个通讯过程中，没有与风电机组原有的通讯网络产生交集，不影响其自身数据的传输，也避免了其他通讯的干扰，保证了振动数据传输的稳定。当塔底原光纤网络有通讯协议，无法正常使用时，可采用本通讯方式。

3.2 无线通讯方式

无线通讯方式通过在每台机组的机舱内加装无线发送电台，在主控室内加装一个无线接收电台来实现振动数据的通讯。通讯简图如图4所示。

机舱内的无线电台与振动数据采集器以网线相连，通过发射天线实现数据的通讯。无线通讯方式信号的发送范围受到天线发射功率的限制，数据传输的稳定性也会受到如风速、温度、空气湿度等天气状况的影响。

还有一种无线通讯方式是通过GPRS系统来完成通讯，数据传输的稳定性相对稍好一些，但传输速度较慢，还需定期缴纳一定的费用。

4 离线振动检测设备的应用

在风电机组上应用的离线振动检测设备应为一套完整的、能独立进行数据的测量及储存的设备，具有以下特点：多通道、自动测量及储存数据。

按照安全规程的要求，在风电机组运行的时候，人员不能在机舱内停留，因此离线检测设备应具有自动测量及数据储存的功能。离线设备传感器的布置与选型与在线振动监测系统一致，同时对多个测量点进行数据采集，因此应为多通道设备，离线检测设备的数据通过RJ45以太网口与电脑直接进行通讯。

离线设备主要用于对风电机组的日常巡检，评估设备的运行状态。风场应设置振动监测专工，负责离线设备的使用及对风机的运行状态进行分析、评估，建立离线振动监测档案，对风机设备的故障情况按严重程度进行分类统计，制定合理的复检周期并提出维护维修建议。

5 结语

2011年8月，国家能源局颁布了《风力发电机组振动状态监测导则》，标志着风电机组应用监测诊断技术的必要性和有效性，已逐渐得到国内风电运营商和制造商的认可。通过不断的积累经验，振动监测技术的应用方案将会越来越成熟，目前对于风电机组叶片及塔筒的故障监测已处于试验数据收集阶段，相信在不久的将来，振动监测技术的应用方案里将增加这两方面的内容，振动监测技术将会更有效地指导风电机组设备的维护维修工作。

参考文献

[1] 陈长征，胡立新，周勃，费朝阳.设备振动分析与故障诊断技术[M].北京：科学出版社，2007.

作者简介：郑海波（1979-），国华能源投资有限公司设备维护专员，机械设备工程师，研究方向：风力发电机组振动监测。

粘接安装传感器时需要注意一个问题：侧出线的传感器在安装固定前，需要调整好连接垫片的方位，防止传感器与垫片在连接紧固后，出线的位置不合理，导致数据线缆过度弯曲而影响信号的质量和线缆的寿命。正确的操作方法为：在安装前，将垫片与传感器预先进行连接，在安装位置将出线调整到合理的方向，并在垫片及风机设备上做好标记线，安装时根据标记的位置粘接垫片，可以保证传感器的出线方向准确。

无论是螺纹安装或粘接安装，均需对设备表面进行打磨，因此，在传感器安装完成后，应对暴露在外的金属表面进行补漆处理，防止生锈。

3 数据通讯方式

传感器采集到的振动信号，通过数据采集器传回到风场主控室的振动监测服务器中。数据采集器与主控室服务器的通讯有两种方式：有线通讯方式及无线通讯方式。无线通讯方式的信号传输范围有限，而且受天气状况的影响较大，易造成数据的传输不稳定甚至丢失，因此，在条件许可的情况下，建议优先选择有线通讯方式。

3.1 有线通讯方式

数据采集器输出的信号为电信号，需要转换为光信号，通过风场环网光纤传输到主控室，再转换为电信号，才能将数据传输到振动监测服务器中，整个过程可简单描述为电-光-电转换。不同品牌的风机将电信号转换为光信号的方式有所不同，不同的风电场光纤环网网络的建设方式也有所不同，通过归纳总结，实现电-光-电的转换基本上有三种方式。

3.1.1 通过机舱控制柜内的以太网交换机并利用机组原有通讯网络。利用机舱控制柜内已有的以太网交换机的空余RJ45电口，通过风电机组已有的通讯环路，经由主控继保室内的通讯交换机来完成与振动监测服务器的连接，实现数据的采集控制和传输。通讯简图如图1所示：

本通讯方式简单、经济，仅需要一根短网线将振动数据采集器与机舱控制柜内的交换机连接即可。局限性在于：机舱内的以太网交换机需要有空余的可用网口。部分类型的风电机组在设计时没有考虑预留通讯网口，或者预留的网口数量较少而被占用，将导致无法完成通讯。需要注意的是，振动数据的传输有可能会影响风电机组其他数据的正常通讯，因此需进行测试，将振动数据的通讯流量控制在不影响正常通讯的最大流量值之内。

3.1.2 通过塔底控制柜内以太网交换机并利用机组原有通讯网络。利用风电机组塔底控制柜内已有的以太网交换机的空余RJ45电口，通过机组的已有的通讯环路，经由主控继保室内的通讯交换机，来完成与振动监测服务器的连接，实现数据采集控制和传输。通讯简图如图2所示。

当风电机组机舱内的以太网交换机没有预留通讯网口或者预留网口被占用时，可采用这种通讯方式。与第一种有线通讯方式相比，本通讯方式需增加一根从机舱到塔底的工业网线，将振动数据采集器与塔底的以太网交换机进行连接。铺设网线时需要预先制定好方案，避免网线被风机的电缆挤压破坏。

3.1.3 加装光电交换机，利用风电机组环网备用光纤组建通讯网络。利用机组塔底与环网相连的光电转换器的备用光纤，分别在塔底和主控室的光缆汇集处加装光电交换机组建通讯网络。通讯简图如图3所示：

在塔底控制柜内加装的光电交换机，通过光纤跳线与塔底的备用光纤尾纤盒相连；在主控室加装的光电交换机，将各环网的光纤汇聚集中，实现振动监测服务器与每个振动数据采集器的通讯。

本通讯方式同样需要加装一根从机舱到塔底的工业网线，同时还需加装两个光电交换机，通讯成本高，安装过程复杂，但是在整个通讯过程中，没有与风电机组原有的通讯网络产生交集，不影响其自身数据的传输，也避免了其他通讯的干扰，保证了振动数据传输的稳定。当塔底原光纤网络有通讯协议，无法正常使用时，可采用本通讯方式。

3.2 无线通讯方式

无线通讯方式通过在每台机组的机舱内加装无线发送电台，在主控室内加装一个无线接收电台来实现振动数据的通讯。通讯简图如图4所示。

机舱内的无线电台与振动数据采集器以网线相连，通过发射天线实现数据的通讯。无线通讯方式信号的发送范围受到天线发射功率的限制，数据传输的稳定性也会受到如风速、温度、空气湿度等天气状况的影响。

还有一种无线通讯方式是通过GPRS系统来完成通讯，数据传输的稳定性相对稍好一些，但传输速度较慢，还需定期缴纳一定的费用。

4 离线振动检测设备的应用

在风电机组上应用的离线振动检测设备应为一套完整的、能独立进行数据的测量及储存的设备，具有以下特点：多通道、自动测量及储存数据。

按照安全规程的要求，在风电机组运行的时候，人员不能在机舱内停留，因此离线检测设备应具有自动测量及数据储存的功能。离线设备传感器的布置与选型与在线振动监测系统一致，同时对多个测量点进行数据采集，因此应为多通道设备，离线检测设备的数据通过RJ45以太网口与电脑直接进行通讯。

离线设备主要用于对风电机组的日常巡检，评估设备的运行状态。风场应设置振动监测专工，负责离线设备的使用及对风机的运行状态进行分析、评估，建立离线振动监测档案，对风机设备的故障情况按严重程度进行分类统计，制定合理的复检周期并提出维护维修建议。

5 结语

2011年8月，国家能源局颁布了《风力发电机组振动状态监测导则》，标志着风电机组应用监测诊断技术的必要性和有效性，已逐渐得到国内风电运营商和制造商的认可。通过不断的积累经验，振动监测技术的应用方案将会越来越成熟，目前对于风电机组叶片及塔筒的故障监测已处于试验数据收集阶段，相信在不久的将来，振动监测技术的应用方案里将增加这两方面的内容，振动监测技术将会更有效地指导风电机组设备的维护维修工作。

参考文献

[1] 陈长征，胡立新，周勃，费朝阳.设备振动分析与故障诊断技术[M].北京：科学出版社，2007.

作者简介：郑海波（1979-），国华能源投资有限公司设备维护专员，机械设备工程师，研究方向：风力发电机组振动监测。

粘接安装传感器时需要注意一个问题：侧出线的传感器在安装固定前，需要调整好连接垫片的方位，防止传感器与垫片在连接紧固后，出线的位置不合理，导致数据线缆过度弯曲而影响信号的质量和线缆的寿命。正确的操作方法为：在安装前，将垫片与传感器预先进行连接，在安装位置将出线调整到合理的方向，并在垫片及风机设备上做好标记线，安装时根据标记的位置粘接垫片，可以保证传感器的出线方向准确。

无论是螺纹安装或粘接安装，均需对设备表面进行打磨，因此，在传感器安装完成后，应对暴露在外的金属表面进行补漆处理，防止生锈。

3 数据通讯方式

传感器采集到的振动信号，通过数据采集器传回到风场主控室的振动监测服务器中。数据采集器与主控室服务器的通讯有两种方式：有线通讯方式及无线通讯方式。无线通讯方式的信号传输范围有限，而且受天气状况的影响较大，易造成数据的传输不稳定甚至丢失，因此，在条件许可的情况下，建议优先选择有线通讯方式。

3.1 有线通讯方式

数据采集器输出的信号为电信号，需要转换为光信号，通过风场环网光纤传输到主控室，再转换为电信号，才能将数据传输到振动监测服务器中，整个过程可简单描述为电-光-电转换。不同品牌的风机将电信号转换为光信号的方式有所不同，不同的风电场光纤环网网络的建设方式也有所不同，通过归纳总结，实现电-光-电的转换基本上有三种方式。

3.1.1 通过机舱控制柜内的以太网交换机并利用机组原有通讯网络。利用机舱控制柜内已有的以太网交换机的空余RJ45电口，通过风电机组已有的通讯环路，经由主控继保室内的通讯交换机来完成与振动监测服务器的连接，实现数据的采集控制和传输。通讯简图如图1所示：

本通讯方式简单、经济，仅需要一根短网线将振动数据采集器与机舱控制柜内的交换机连接即可。局限性在于：机舱内的以太网交换机需要有空余的可用网口。部分类型的风电机组在设计时没有考虑预留通讯网口，或者预留的网口数量较少而被占用，将导致无法完成通讯。需要注意的是，振动数据的传输有可能会影响风电机组其他数据的正常通讯，因此需进行测试，将振动数据的通讯流量控制在不影响正常通讯的最大流量值之内。

3.1.2 通过塔底控制柜内以太网交换机并利用机组原有通讯网络。利用风电机组塔底控制柜内已有的以太网交换机的空余RJ45电口，通过机组的已有的通讯环路，经由主控继保室内的通讯交换机，来完成与振动监测服务器的连接，实现数据采集控制和传输。通讯简图如图2所示。

当风电机组机舱内的以太网交换机没有预留通讯网口或者预留网口被占用时，可采用这种通讯方式。与第一种有线通讯方式相比，本通讯方式需增加一根从机舱到塔底的工业网线，将振动数据采集器与塔底的以太网交换机进行连接。铺设网线时需要预先制定好方案，避免网线被风机的电缆挤压破坏。

3.1.3 加装光电交换机，利用风电机组环网备用光纤组建通讯网络。利用机组塔底与环网相连的光电转换器的备用光纤，分别在塔底和主控室的光缆汇集处加装光电交换机组建通讯网络。通讯简图如图3所示：

在塔底控制柜内加装的光电交换机，通过光纤跳线与塔底的备用光纤尾纤盒相连；在主控室加装的光电交换机，将各环网的光纤汇聚集中，实现振动监测服务器与每个振动数据采集器的通讯。

本通讯方式同样需要加装一根从机舱到塔底的工业网线，同时还需加装两个光电交换机，通讯成本高，安装过程复杂，但是在整个通讯过程中，没有与风电机组原有的通讯网络产生交集，不影响其自身数据的传输，也避免了其他通讯的干扰，保证了振动数据传输的稳定。当塔底原光纤网络有通讯协议，无法正常使用时，可采用本通讯方式。

3.2 无线通讯方式

无线通讯方式通过在每台机组的机舱内加装无线发送电台，在主控室内加装一个无线接收电台来实现振动数据的通讯。通讯简图如图4所示。

机舱内的无线电台与振动数据采集器以网线相连，通过发射天线实现数据的通讯。无线通讯方式信号的发送范围受到天线发射功率的限制，数据传输的稳定性也会受到如风速、温度、空气湿度等天气状况的影响。

还有一种无线通讯方式是通过GPRS系统来完成通讯，数据传输的稳定性相对稍好一些，但传输速度较慢，还需定期缴纳一定的费用。

4 离线振动检测设备的应用

在风电机组上应用的离线振动检测设备应为一套完整的、能独立进行数据的测量及储存的设备，具有以下特点：多通道、自动测量及储存数据。

按照安全规程的要求，在风电机组运行的时候，人员不能在机舱内停留，因此离线检测设备应具有自动测量及数据储存的功能。离线设备传感器的布置与选型与在线振动监测系统一致，同时对多个测量点进行数据采集，因此应为多通道设备，离线检测设备的数据通过RJ45以太网口与电脑直接进行通讯。

离线设备主要用于对风电机组的日常巡检，评估设备的运行状态。风场应设置振动监测专工，负责离线设备的使用及对风机的运行状态进行分析、评估，建立离线振动监测档案，对风机设备的故障情况按严重程度进行分类统计，制定合理的复检周期并提出维护维修建议。

5 结语

2011年8月，国家能源局颁布了《风力发电机组振动状态监测导则》，标志着风电机组应用监测诊断技术的必要性和有效性，已逐渐得到国内风电运营商和制造商的认可。通过不断的积累经验，振动监测技术的应用方案将会越来越成熟，目前对于风电机组叶片及塔筒的故障监测已处于试验数据收集阶段，相信在不久的将来，振动监测技术的应用方案里将增加这两方面的内容，振动监测技术将会更有效地指导风电机组设备的维护维修工作。

参考文献

[1] 陈长征，胡立新，周勃，费朝阳.设备振动分析与故障诊断技术[M].北京：科学出版社，2007.

作者简介：郑海波（1979-），国华能源投资有限公司设备维护专员，机械设备工程师，研究方向：风力发电机组振动监测。